Diabetes is a major risk factor for atherosclerosis. Although atherosclerosis is initiated by deposition of cholesterol-rich lipoproteins in the artery wall, the entry of inflammatory leukocytes into lesions fuels disease progression and impairs resolution. We show that diabetic mice have increased numbers of circulating neutrophils and Ly6-Chi monocytes, reflecting hyperglycemia-induced proliferation and expansion of bone marrow myeloid progenitors and release of monocytes into the circulation. Increased neutrophil production of S100A8/S100A9, and its subsequent interaction with the receptor for advanced glycation end products on common myeloid progenitor cells, leads to enhanced myelopoiesis. Treatment of hyperglycemia reduces monocytosis, entry of monocytes into atherosclerotic lesions, and promotes regression. In patients with type 1 diabetes, plasma S100A8/S100A9 levels correlate with leukocyte counts and coronary artery disease. Thus, hyperglycemia drives myelopoiesis and promotes atherogenesis in diabetes.

Leukocytosis is associated with increased cardiovascular disease risk in humans and develops in hypercholesterolemic atherosclerotic animal models. Leukocytosis is associated with the proliferation of hematopoietic stem and multipotential progenitor cells (HSPCs) in mice with deficiencies of the cholesterol efflux–promoting ABC transporters ABCA1 and ABCG1 in BM cells. Here, we have determined the role of endogenous apolipoprotein-mediated cholesterol efflux pathways in these processes. In Apoe–/– mice fed a chow or Western-type diet, monocytosis and neutrophilia developed in association with the proliferation and expansion of HSPCs in the BM. In contrast, Apoa1–/– mice showed no monocytosis compared with controls. ApoE was found on the surface of HSPCs, in a proteoglycan-bound pool, where it acted in an ABCA1- and ABCG1-dependent fashion to decrease cell proliferation. Accordingly, competitive BM transplantation experiments showed that ApoE acted cell autonomously to control HSPC proliferation, monocytosis, neutrophilia, and monocyte accumulation in atherosclerotic lesions. Infusion of reconstituted HDL and LXR activator treatment each reduced HSPC proliferation and monocytosis in Apoe–/– mice. These studies suggest a specific role for proteoglycan-bound ApoE at the surface of HSPCs to promote cholesterol efflux via ABCA1/ABCG1 and decrease cell proliferation, monocytosis, and atherosclerosis. Although endogenous apoA-I was ineffective, pharmacologic approaches to increasing cholesterol efflux suppressed stem cell proliferative responses.

Objective— Whereas the anti–inflammatory effects of high-density lipoprotein (HDL) on endothelial cells are well described, such effects on monocytes are less studied. Methods and Results— Human monocytes were isolated from whole blood followed by assessment of CD11b activation/expression and cell adhesion under shear-flow. HDL caused a dose-dependent reduction in the activation of CD11b induced by PMA or receptor-dependent agonists. The constituent of HDL responsible for the antiinflammatory effects on CD11b activation was found to be apolipoprotein A-I (apoA-I). Cyclodextrin, but not cyclodextrin/cholesterol complex, also inhibited PMA-induced CD11b activation implicating cholesterol efflux as the main mechanism. This was further confirmed with the demonstration that cholesterol content of lipid rafts diminished after treatment with the cholesterol acceptors. Blocking ABCA1 with an anti-ABCA1 antibody abolished the effect of apoA-I. Furthermore, monocytes derived from a Tangier disease patient definitively confirmed the requirement of ABCA1 in apoA-I–mediated CD11b inhibition. The antiinflammatory effects of apoA-I were also observed in functional models including cell adhesion to an endothelial cell monolayer, monocytic spreading under shear flow, and transmigration. Conclusions— HDL and apoA-I exhibit an antiinflammatory effect on human monocytes by inhibiting activation of CD11b. ApoA-I acts through ABCA1, whereas HDL may act through several receptors.

Obesity is associated with infiltration of macrophages into adipose tissue (AT), contributing to insulin resistance and diabetes. However, relatively little is known regarding the origin of AT macrophages (ATMs). We discovered that murine models of obesity have prominent monocytosis and neutrophilia, associated with proliferation and expansion of bone marrow (BM) myeloid progenitors. AT transplantation conferred myeloid progenitor proliferation in lean recipients, while weight loss in both mice and humans (via gastric bypass) was associated with a reversal of monocytosis and neutrophilia. Adipose S100A8/A9 induced ATM TLR4/MyD88 and NLRP3 inflammasome-dependent IL-1β production. IL-1β interacted with the IL-1 receptor on BM myeloid progenitors to stimulate the production of monocytes and neutrophils. These studies uncover a positive feedback loop between ATMs and BM myeloid progenitors and suggest that inhibition of TLR4 ligands or the NLRP3-IL-1β signaling axis could reduce AT inflammation and insulin resistance in obesity.

Summary

 Chronic inflammation is a hallmark of obesity and is linked to the development of numerous diseases. The activation of toll-like receptor 4 (TLR4) by long-chain saturated fatty acids (lcSFAs) is an important process in understanding how obesity initiates inflammation. While experimental evidence supports an important role for TLR4 in obesity-induced inflammation in vivo, via a mechanism thought to involve direct binding to and activation of TLR4 by lcSFAs, several lines of evidence argue against lcSFAs being direct TLR4 agonists. Using multiple orthogonal approaches, we herein provide evidence that while loss-of-function models confirm that TLR4 does, indeed, regulate lcSFA-induced inflammation, TLR4 is not a receptor for lcSFAs. Rather, we show that TLR4-dependent priming alters cellular metabolism, gene expression, lipid metabolic pathways, and membrane lipid composition, changes that are necessary for lcSFA-induced inflammation. These results reconcile previous discordant observations and challenge the prevailing view of TLR4's role in initiating obesity-induced inflammation.

Rationale: Plasma high-density lipoprotein levels are inversely correlated with atherosclerosis. Although it is widely assumed that this is attributable to the ability of high-density lipoprotein to promote cholesterol efflux from macrophage foam cells, direct experimental support for this hypothesis is lacking. Objective: To assess the role of macrophage cholesterol efflux pathways in atherogenesis. Methods and Results: We developed mice with efficient deletion of the ATP-binding cassette transporters A1 and G1 (ABCA1 and ABCG1) in macrophages (MAC-ABC DKO mice) but not in hematopoietic stem or progenitor populations. MAC-ABC DKO bone marrow (BM) was transplanted into Ldlr −/− recipients. On the chow diet, these mice had similar plasma cholesterol and blood monocyte levels but increased atherosclerosis compared with controls. On the Western-type diet, MAC-ABC DKO BM–transplanted Ldlr −/− mice had disproportionate atherosclerosis, considering they also had lower very low-density lipoprotein/low-density lipoprotein cholesterol levels than controls. ABCA1/G1-deficient macrophages in lesions showed increased inflammatory gene expression. Unexpectedly, Western-type diet–fed MAC-ABC DKO BM–transplanted Ldlr −/− mice displayed monocytosis and neutrophilia in the absence of hematopoietic stem and multipotential progenitor cells proliferation. Mechanistic studies revealed increased expressions of machrophage colony stimulating factor and granulocyte colony stimulating factor in splenic macrophage foam cells, driving BM monocyte and neutrophil production. Conclusions: These studies show that macrophage deficiency of ABCA1/G1 is proatherogenic likely by promoting plaque inflammation and uncover a novel positive feedback loop in which cholesterol-laden splenic macrophages signal BM progenitors to produce monocytes, with suppression by macrophage cholesterol efflux pathways.

Highlights•IL-6 trans-signaling recruits macrophages to adipose tissue in HFD-induced obesity•Blocking IL-6 trans-signaling with sgp130Fc prevents HFD-induced ATM accumulation•Prevention of ATM accumulation in obesity does not rescue insulin resistance•Blocking IL-6 trans-signaling does not exacerbate HFD-induced insulin resistanceSummaryInterleukin-6 (IL-6) plays a paradoxical role in inflammation and metabolism. The pro-inflammatory effects of IL-6 are mediated via IL-6 "trans-signaling," a process where the soluble form of the IL-6 receptor (sIL-6R) binds IL-6 and activates signaling in inflammatory cells that express the gp130 but not the IL-6 receptor. Here we show that trans-signaling recruits macrophages into adipose tissue (ATM). Moreover, blocking trans-signaling with soluble gp130Fc protein prevents high-fat diet (HFD)-induced ATM accumulation, but does not improve insulin action. Importantly, however, blockade of IL-6 trans-signaling, unlike complete ablation of IL-6 signaling, does not exacerbate obesity-induced weight gain, liver steatosis, or insulin resistance. Our data identify the sIL-6R as a critical chemotactic signal for ATM recruitment and suggest that selectively blocking IL-6 trans-signaling may be a more favorable treatment option for inflammatory diseases, compared with current treatments that completely block the action of IL-6 and negatively impact upon metabolic homeostasis.Graphical abstract

Background: Myocardial infarction (MI) triggers myelopoiesis, resulting in heightened production of neutrophils. However, the mechanisms that sustain their production and recruitment to the injured heart are unclear. Methods: Using a mouse model of the permanent ligation of the left anterior descending artery and flow cytometry, we first characterized the temporal and spatial effects of MI on different myeloid cell types. We next performed global transcriptome analysis of different cardiac cell types within the infarct to identify the drivers of the acute inflammatory response and the underlying signaling pathways. Using a combination of genetic and pharmacological strategies, we identified the sequelae of events that led to MI-induced myelopoiesis. Cardiac function was assessed by echocardiography. The association of early indexes of neutrophilia with major adverse cardiovascular events was studied in a cohort of patients with acute MI. Results: Induction of MI results in rapid recruitment of neutrophils to the infarct, where they release specific alarmins, S100A8 and S100A9. These alarmins bind to the Toll-like receptor 4 and prime the nod-like receptor family pyrin domain-containing 3 inflammasome in naïve neutrophils and promote interleukin-1β secretion. The released interleukin-1β interacts with its receptor (interleukin 1 receptor type 1) on hematopoietic stem and progenitor cells in the bone marrow and stimulates granulopoiesis in a cell-autonomous manner. Genetic or pharmacological strategies aimed at disruption of S100A8/A9 and their downstream signaling cascade suppress MI-induced granulopoiesis and improve cardiac function. Furthermore, in patients with acute coronary syndrome, higher neutrophil count on admission and after revascularization correlates positively with major adverse cardiovascular disease outcomes. Conclusions: Our study provides novel evidence for the primary role of neutrophil-derived alarmins (S100A8/A9) in dictating the nature of the ensuing inflammatory response after myocardial injury. Therapeutic strategies aimed at disruption of S100A8/A9 signaling or their downstream mediators (eg, nod-like receptor family pyrin domain-containing 3 inflammasome, interleukin-1β) in neutrophils suppress granulopoiesis and may improve cardiac function in patients with acute coronary syndrome.

Platelets play a critical role in atherogenesis and thrombosis-mediated myocardial ischemia, processes that are accelerated in diabetes. Whether hyperglycemia promotes platelet production and whether enhanced platelet production contributes to enhanced atherothrombosis remains unknown. Here we found that in response to hyperglycemia, neutrophil-derived S100 calcium-binding proteins A8/A9 (S100A8/A9) interact with the receptor for advanced glycation end products (RAGE) on hepatic Kupffer cells, resulting in increased production of IL-6, a pleiotropic cytokine that is implicated in inflammatory thrombocytosis. IL-6 acts on hepatocytes to enhance the production of thrombopoietin, which in turn interacts with its cognate receptor c-MPL on megakaryocytes and bone marrow progenitor cells to promote their expansion and proliferation, resulting in reticulated thrombocytosis. Lowering blood glucose using a sodium-glucose cotransporter 2 inhibitor (dapagliflozin), depleting neutrophils or Kupffer cells, or inhibiting S100A8/A9 binding to RAGE (using paquinimod), all reduced diabetes-induced thrombocytosis. Inhibiting S100A8/A9 also decreased atherogenesis in diabetic mice. Finally, we found that patients with type 2 diabetes have reticulated thrombocytosis that correlates with glycated hemoglobin as well as increased plasma S100A8/A9 levels. These studies provide insights into the mechanisms that regulate platelet production and may aid in the development of strategies to improve on current antiplatelet therapies and to reduce cardiovascular disease risk in diabetes.